Що таке датчик температури?

Датчик температури - це пристрій, який вимірює, наскільки гарячий або холодний об'єкт, забезпечення вимірювання температури за допомогою електричного сигналу в читабельній формі. Найбільш поширеними є термопари та терморезисторні датчики температури.

Датчики температури води

Китайський датчик температури

Типи датчиків температури для ЦОД

У сучасній електроніці сьогодні використовуються чотири основні датчики температури: Від'ємний температурний коефіцієнт (NTC) термістори, датчики температури опору (RTD), термопари, і напівпровідникові інтегровані (IC) датчики.
Датчик температури - це пристрій, типово, термопара або резистивний детектор температури, що забезпечує вимірювання температури в зрозумілій формі за допомогою електричного сигналу.
Термометр — найпростіша форма вимірювача температури, яка використовується для вимірювання ступеня гарячості та прохолоди..

Термоміри використовуються в геотехнічній галузі для контролю бетону, структур, ґрунт, води, мости, тощо. для структурних змін через сезонні коливання.
Термопара (T/C) складається з двох різнорідних металів, які генерують електричну напругу прямо пропорційно зміні температури. RTD (Детектор температури опору) це змінний резистор, який змінює свій електричний опір прямо пропорційно зміні температури в точному, повторювані, і майже лінійним способом.

У нашому повсякденному житті, ми повинні часто бачити термометри, водонагрівачі, мікрохвильові печі, холодильники, тощо. Вони будуть застосовані до важливого пристрою – датчика температури. Ця стаття познайомить вас з датчиками температури, Принцип роботи датчика температури, і типи датчиків температури.

Тип датчика температури:
У практичних застосуваннях, доступно багато датчиків температури, з різними характеристиками відповідно до фактичного застосування. Датчики температури складаються з двох основних фізичних типів:
1. Контактний тип датчика температури
Ці типи датчиків температури вимагають фізичного контакту з об’єктом, який відчувається, і використовують провідність для моніторингу змін температури. Їх можна використовувати для виявлення твердих речовин, рідини або гази в широкому діапазоні температур.

2. Тип датчика температури безконтактний
Ці типи датчиків температури використовують конвекцію та випромінювання для відстеження змін температури. Їх можна використовувати для виявлення рідин і газів, які випромінюють променисту енергію, коли тепло піднімається, а холод осідає на дно в конвекційних потоках, або для виявлення променистої енергії, що передається від об'єктів у формі інфрачервоного випромінювання (сонце).
Контактні та безконтактні датчики температури далі класифікуються на наступні датчики температури.

Принцип роботи датчика температури:
1. Термостат
Термостат - це контактний датчик температури, який складається з біметалічної стрічки, виготовленої з двох різних металів, наприклад, алюміній, мідь, нікель, або вольфраму.

Різниця в коефіцієнтах лінійного розширення двох металів змушує їх зазнавати механічних згинальних рухів при нагріванні.

Фактичне зображення термостата

2. Біметалічний термостат
Термостат складається з двох металів з різними рівнями нагріву, склеєних один до одного. Коли погода холодна, контакти замикаються і через термостат проходить струм. У міру нагрівання, один метал розширюється більше, ніж інший, а скріплені біметалічні смуги загинаються вгору (або вниз), розмикання контактів і запобігання протікання електрики.

Фізичне зображення біметалічного термостата

Існує два основних типи біметалевих смуг, в основному на їхньому русі під впливом температурних змін. Існують типи «миттєвої дії», які створюють миттєву дію типу «увімкнення/вимкнення» або «вимкнення/увімкнення» на електричні контакти при встановленій температурній точці, і більш повільні «повзучі» типи, які поступово змінюють своє положення зі зміною температури .
Принципова схема роботи біметалічного термостата

Термостати миттєвої дії зазвичай використовуються в наших будинках для контролю заданих температур духовок, праски, занурювальні баки для гарячої води, їх також можна знайти на стінах для керування системами опалення будинку.

Гусеничні типи зазвичай складаються з біметалічних котушок або спіралей, які повільно розгортаються або згортаються під час зміни температури. Взагалі кажучи, Біметалеві смуги в стилі гусеничного типу більш чутливі до змін температури, ніж стандартні типи з замиканням/вимиканням, оскільки смуги довші та тонші, що робить їх ідеальними для використання на термометрах і циферблатах, тощо.

3. Термістор
Термістори зазвичай виготовляють з керамічних матеріалів, такі як нікель, оксиди марганцю або кобальту, покриті склом, через що їх легко пошкодити. Їх головна перевага перед миттєвими типами полягає в тому, як швидко вони реагують на будь-які зміни температури, точність і повторюваність.

Більшість термісторів мають негативний температурний коефіцієнт (NTC), це означає, що їх опір зменшується з підвищенням температури. Проте, є деякі термістори, які мають позитивний температурний коефіцієнт (PTC) і їх опір зростає з температурою.

Фізична картина термістора

Термістори оцінюються на основі їх опору при кімнатній температурі (зазвичай 25 o C), їх постійна часу (час, необхідний для реакції на зміну температури), і їх номінальна потужність відносно струму, що через них протікає. Як резистори, термістори мають значення опору при кімнатній температурі від 10 мегом до кількох ом, але для сенсорних цілей зазвичай використовуються ті типи, що вимірюються в кілоомах.

4. Приклад датчика температури №1
Значення опору наступного термістора при 25 ℃ становить 10 кОм, а значення опору при 100 ℃ становить 100 Ом. Обчисліть падіння напруги на термісторі, з’єднаному послідовно з резистором 1 кОм, щоб обчислити вихідну напругу (Vout) через джерело живлення 12 В при обох температурах.
Приклад схеми датчика температури

Змінюючи постійне значення резистора R2 (1кОм у нашому прикладі) до потенціометра або заданого значення, вихідна напруга може бути отримана при заданій температурі, наприклад вихід 5 В при 60°C. Змінюючи потенціометр, щоб отримати певний рівень вихідної напруги, його можна отримати в більш широкому діапазоні температур.

Проте, Слід зазначити, що термістори є нелінійними приладами, і стандартні значення опору різних термісторів при кімнатній температурі різні, в основному тому, що вони виготовлені з напівпровідникових матеріалів. Термістори експоненціально змінюються з температурою і тому мають постійну бета-температуру (b) який можна використовувати для розрахунку опору в будь-якій температурній точці.

Проте, при використанні з послідовними резисторами, наприклад, у мережі дільника напруги або типу моста Уітстона. Струм, отриманий у відповідь на напругу, прикладену до мережі дільника напруги/мостової мережі, лінійно залежить від температури. Потім вихідна напруга на резисторі змінюється лінійно залежно від температури.